发电厂及电力系统黄龙滩水电厂继电保护及二次回路

1、 毕业设计（论文）题目 黄龙滩水电厂继电保护及 二次回路设计 学生姓名 学 号 专 业 发电厂及电力系统 班 级 20123096 指导教师 王 俊 评阅教师 完成日期 2014年11月1日目 录 摘要1前 言2第1章 电力系统继电保护简论31.1 继电保护的作用31.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类41.2.1基本要求41.2.2基本原理41.2.3 构成71.2.4分类8第2章 主变压器保护设计92.1.变压器保护重要性92.2.变压器的故障类型和不正常运行状态92.3 变压器保护配置原则102.4变压器后备保护122.4.1 低电压启动的过电流保护122.4.2变压器零序电流保护

2、132.4.3过负荷保护14第3章 发电机保护设计153.1发电机故障及不正常运行状态153.1.1发电机故障类型153.1.2 不正常运行状态153.2发电机保护的配置原则163.3发电机纵差保护173.3.1工作原理173.3.2 发电机总差保护整定183.4发电机的横差保护203.5发电机定子绕组单相接地保护223.6发电机负序电流保护233.6.1 定时限过电流保护233.6.2 反时限负序过电流保护243.7发电机失磁保护253.8励磁回路一点接地保护25第4章 母线保护264.1.母线保护配置原则264.2母线差动保护基本原理294.2.1母联电流比相式母线差动保护294.2.2具

3、有比率制动特性的中阻抗母线差动保护304.2.3双母线差动保护31第5章 继电保护二次回路设计355.1 二次回路的基本概念355.2 二次保护回路全图365.2.1 主变压器保护全图365.2.2 发电机保护38第6章 结论39参 考 文 献40致 谢41黄龙滩水电厂继电保护及二次回路设计学 生：谢伟指导老师：王俊（三峡电力职业学院）摘 要：由于大型水电站的母线、发电机和变压器的结构比较复杂，在运行过程中都可能会发生各种各样的故障和异常运行状态，为了确保在保护范围内发生故障，都能有选择性的快速切除故障，需要配置多种继电保护装置，必要时进行多重化配置，从而将水电站中重要设备的危害和损失降到最小

4、，对电力系统的影响最小。发电厂和变电所母线是电力系统中的中的一个重要组成部件，发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用；而变压器是电力系统十分重要的供电元件再者，发电机、变压器本身就是十分贵重的电气元件，所以，继电保护装置对大型水电站的正常运行起着至关重要的作用。根据黄龙滩水电站的接线图及相关资料。本设计共包括六章，分别对母线、发电机、变压器的继电保护进行详细介绍，并给出相关的整定计算，画出部分二次接线图。本文主要通过分析原始资料中主要设备的参数，首先，需要对电力系统保护原理进行全面系统的复习、查阅相关资料，加深理解；其次，结合相关参数和各种继电保护原理，确定适用于黄

5、龙滩水电站的保护方案，最后，分别对母线处、发电机和变压器进行整定计算和配置，并且根据系统一次设计图给出部分二次设计及其配置图和一般原理图。关键词：水电站、继电保护、发电机、变压器、母线、二次回路4前 言本次毕业设计的主要内容是针对电力系统中可能出现的各种不正常状态和故障状态，对湖北黄龙滩水电站水电站的发电机、主变压器和母线的保护配置及二次回路设计，参照电力系统继电保护及电力工程电气设备手册电气二次部分，并依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验从而来确定方案中的保护是否适用来编写的。设计首先是对保护的原理进行分析,保护的整定计算及灵敏性校验。其次是各种设备的保护配置图和二次回路

6、图。文章内容包括原理分析、保护整定计算和灵敏性校验。其中发电机采取纵联差动保护、横联差动保护和定子绕组接地保护等；变压器主保护采用的是纵联差动保护和瓦斯保护，两者结合做到优势互补，后备保护是复合电压启动过电流保护；母线保护采取的是母联比相式差动保护，简单可靠。黄龙滩电厂创建于1969年，现有两台8.5万千瓦的水轮机组（老厂）和两台17万千瓦水轮机组（新厂）总装机容量为51万千瓦。通过110kv和220kv高压线路对外送电。电厂以220kv以及电压接入湖北电网。发电机变压器组合方式采用单元接线。220kv高压侧采用双母线。220kv设备采用户外开敞式，220kv断路器采用sf柱式断路器。设计参数

7、如下：水轮发电机-型号：sf75-68/11350 ；额定电压：13.8kv； 额定功率：75mw； 功率因数cos=0.85； 主变压器-型号：sfp8-90000/220； 接线方式：yn,d11 两侧电压：24222.5%/13.8kv 水轮发电机型号：sf-j26-40/6400 ；额定电压：10.5kv； 额定功率：24.5mw； 功率因数cos=0.85； 主变压器型号：sf8-31500/220 接线方式：yn,d11 两侧电压：24222.5%/13.8kv 第1章 电力系统继电保护简论1.1 继电保护的作用电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运

8、行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等），电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非故障元件的损坏。靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。故障和不

9、正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。反映电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。应该指出，要确保电力系统的安全运行，除了继电保护装置外，还应该设置电力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理，以防止电力系统大面积停电和保

10、证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常运行。例如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制动、远方切机、在按选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也越来越高。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制，这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。1.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类1.2.1基本要求对作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求，及可靠性、选择性、性和灵敏性1.2.2基本原理要完成继电保护的基本任务，首先要提取和利用电力元件在三种运行状态下的“差

11、异”，然后“区分”出三种运行状态（正常、不正常和故障状态），最后是“甄别”出发生故障和出现异常的元件。目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。（a）正常运行情况（b）三相短路情况图1-1 我国常用的110kv及以下单侧电源的供电网络发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。在此以图1-1为例分析一下利用不同电气量特征分别能构成哪种保护：1.线路电流幅值2.母线的相间或对地电压幅值3.线路始端电压与电流之比（即测量阻抗）图

12、1-2 220kv及以上多侧电源的输电网路如图1-2所示，其中：正常运行如图1-2（a）所示，如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，a-b两侧电流的大小相等，相位相差，两侧电流的矢量和为零。外部短路如图1-2（b）所示，如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，a-b两侧电流的大小相等，相位相差，两侧电流的矢量和为零。内部短路如图1-2（c）所示，两侧电源分别向短路点供给短路电流和，都是由母线流向线路，此时两个电流一般不相等，在理想条件下（两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等），两个电流同相位，两个电流的矢量和等于短路点的总电流，其值较大。其他类型的保护有：1.纵联保护利用某种通信通道同

13、时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护。电流差动保护利用内部与外部短路时两侧电流矢量的差别构成。电流相位差动保护利用内部与外部短路时两侧电流相位的差别构成。图1-3 过电流保护单相原理图方向比较式纵联保护利用内部与外部短路时两侧功率方向的差别构成。以上保护常被用做220kv及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机等电力元件的主保护。2.反映非电量特征的保护气体保护当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于变压器油受热分解所产生的气体保护。过热保护当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于电动机绕组温度的升高而构成的保护。1.2.3 构成以过电流保护为例：（如图1-3所示） 正常运行：

14、lj不动故障时： lj动 sj动（延时） xj动 信号 tq动 跳闸保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成。（如图1-4所示）图1-4 继电保护装置组成方框图（1） 测量元件测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。（2）逻辑元件根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。逻辑回路有：或、与、

15、非、延时启动、延时返回、记忆等。（3）执行元件：根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时跳闸；不正常运行时发信号；正常运行时不动作。1.2.4分类通常分为以下几类：（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；（3）按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；（4） 按构成继电保护装置的继电器原理分类：机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保

16、护及微机型保护等；（5） 按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现近后备保护。辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。第2章 主变压器保护设计2.1.变压器保护重要性变压器是电力系统中大

17、量使用的重要电 气设备，它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的电气设备，结构比较简单，运行可靠性较高，发生故障的机会相对较少。但是，变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影响较大。另外，变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大。因此，电力变压器在运行中，仍然有可能发生各种类型的故障或出现不正常工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重的影响。特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。因此，考虑到变压器在电力系统中的重要地位及故障和不正常工作状态可能造成的严重后果，必须根据

18、电力变压器容量和重要程度装设相应的继电保护装置。2.2.变压器的故障类型和不正常运行状态（1）变压器故障类型变压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障主要是套管和引出线上发生相间短路及接地短路。油箱内的故障包括绕组间相间短路、接地短路、匝间短路及铁芯的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏铁芯的绝缘、烧毁贴心，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护装置应尽快的将变压器切除。实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式；而油箱内发生短路的情况比较少。（2）变压器不正常

19、工作状态变压器的不正常工作状态主要有：油箱外部短路引起的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等。这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出报警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流、电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会发生变化。因此

20、，变压器保护分电量保护和非电量保护两种。非电量保护装设在变压器内部。线路保护中采用的许多保护如过电流保护、纵差动保护等在变压器的电量保护中都有应用，但在配置上有区别。2.3 变压器保护配置原则1.反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护容量为800kva及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路变压器组，在采取瓦斯保护切除变压器内部故障时，瓦斯保护可仅动作于信号。对于容量为400kva及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。2.相间短路

21、保护反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路也能起保护作用。容量为6300kva以下并列运行的变压器以及10000kva以下单独运行的变压器，当后备保护时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。容量为6300kva及以上、厂用工作变压器和并列运行的变压器、10000kva及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器、以及2000kva及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护。对高压侧电压为330kv及以上的变压器，可装设双重差动保护。对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，变压器应装设单

22、独的纵联差动保护。当发电机与断路器之间没有断路器时，100mw及以下的发电机，可只装设发电机变压器组共用的纵联差动保护。100mw以上的发电机，除发电机变压器组共用纵联差动保护外，发电机还应装设单独的纵联差动保护。对于200mw及以上的汽轮发电机，为提高快速性，在机端还宜增设复合电流速断保护，或在变压器上增设单独的纵联差动保护，即采用双重快速保护方式。如果变压器的纵联差动保护对单相接地保护灵敏性不符合要求，可增设零序差动保护。3.后备保护对于由外部相间短路引起的变压器过电流，可采用下列保护作为后备保护。(1)过电流保护。宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可能出现的过负荷。(2)复合

23、电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护。宜用于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。(3) 负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护。可用于63000kva及以上的升压变压器。(4)对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述、保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。上述各项保护动作后，应带时限动作于跳闸。4.中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护110kv及以上中性点直接接地电网中，如果变压器中性点可能接地运行，对于两侧或三侧电源的升压变压器或降压变压器上应装设零序电流保护。作为变压器主保护的后备保护，并作为相邻元件的后备保护。

24、 5.过负荷保护对于400kva及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器，保护装置应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。过负荷保护应接于一相电流上，带时限动作于信号。在无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。 6.过激磁保护为降低材料消耗，现代大型变压器铁芯一般都用新型电工硅钢片制成，其额定磁密近于饱和磁密，过电压或低频率时容易引起过激磁，因此500kva及以上的大容量变压器宜装设过激磁保护。2.4变压器后备保护2.4.1 低电压启动的过电流保护只有在电流元件和电压元件同时动作

25、后，才能启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能，具体逻辑此处从略。采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定。过电流保护按躲开可能出现的最大负荷电流小整定，启动电流比较大，只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能，具体逻辑此处从略。采用低电压继电器后，电流继电器的

26、整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定。 对于降压变压器，负荷在低压侧电动机自启动时高压侧电压比低压侧高了一个变压器压降（标幺值）。所以高压侧取值比较高。对于发电厂升压变压器，负荷在高压侧，电机自启动时低压侧电压实际上更高，原因是发电机在失磁运行时低压母线电压会比较低。电流继电器灵敏度的校验方法与不带低压启动的过电流保护相同。对于升压变压器，如果低压继电器只接在一侧电压互感器上，则另一侧故障时，往往不能满足灵敏度要求。此时可采用两组低电压继电器分别接在变压器两侧的电压互感器上，并用触电并联的方法提高灵敏性。2.4.2变压器零序电

27、流保护电力系统中接地故障是最常见的故障形式。接于中性点直接接地系统的变压器，一般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件接地保护的后备保护。发生接地故障时，变压器中性点将出现零序电流，母线将出现零序电压，变压器的接地后备保护通常都是反映这些电气量构成的。中性点直接接地运行的变压器毫无例外的都采用零序过电流保护作为变压器接地后备保护，零序电流保护通常采用两段式。零序电流段与相邻元件零序电流保护段相配合；零序电流段与相邻元件零序电流保护后备段（注意:不是段）相配合。零序电流保护在配置上要考虑缩小故障影响范围的问题。根据需要，每段零序电流可设两个时限，并以较短的时限动作于缩小故障影响范

28、围，以较长时限断开变压器各侧断路器。图2-9所示是双绕组变压器零序过电流保护的系统接线和保护逻辑。零序过电流取自变压器中性点电流互感器的二次侧。由于是双母线运行，在另一条母线故障时，零序电流保护图2-9零序过电流保护的系统接线和保护逻辑应断开母联断路器qf,使变压器能够继续运行。所以零序电流保护段和段均采用两个时限，短时限、跳开母联断路器qf，长时限、跳开变压两侧段路器。零序电流保护段的动作电流按下式整定 式中 可靠系数，取1.2； 零序电流分支系数； 相邻元件零序电流段的动作电流。零序电流段的短时限取； 长时限在上再增加一级时限。零序电流保护段的动作也按式0000整定只是式中的应理解为相邻元

29、件零序电流保护后备段的动作电流。动作时限：（为相邻元件保护后备段时限），。零序电流段灵敏系数按变压器母线处故障校验，段按相邻元件末端故障校验。2.4.3过负荷保护变压器的过负荷电流在大多数情况下都是三相对称的，因此装设单相过负荷保护。变压器的过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流。保护只用一个电流继电器，接于任意相电流中经延时动作于信号。过负荷保护的安装侧，应根据保护能反映变压器各侧绕组可能过负荷的情况来选择，具体如下：对双绕组变压器，装于发电机电压侧；对一侧无电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧；对三侧有电源的三绕组变压器，三侧均应装设；对于双绕组降压变压器，装于高压侧；对

30、一测电源的三绕组降压变压器，若三侧绕组容量相等，只装于电源侧；若三侧容量相等，则装于电源侧及绕组容量较小侧；对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设；装于各侧的保护，均应经过同一时间继电器作用于信号。 为了防止过负荷在外部时误动作，其时限应比变压器的后备保护动作时限大一个t。第3章 发电机保护设计3.1发电机故障及不正常运行状态发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该整对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置3.1.1发电机故障类型发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间

31、短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。1.定子绕组相间短路是危及发电机最严重的一种故障。短路点有很大的短路电流，其所产生的电弧不但会烧坏绝缘，还可能损坏铁芯，甚至引起火灾，给发电机的修复工作带来很在困难。2.定子绕组单相匝间短路在匝间电压作用下，产生环流，使该处温度升高，绝缘损坏，并可能转变为单相接地或相间短路故障。3.定子绕组单相接地故障点处会有电流流过定子铁心，研究证明当故障点电流超过5a并持续一定时间时，故障点定子铁心可能熔化，发电机须进行大修，定子铁心须重新选压。4.转子回路一点或两点接地转子回路发生一点接地故障时，由于没有电流通路，对发电机并

32、无危害。但若不及时处理，就有可能导致两点接地故障，造成励磁回路短路，可能损坏转子绕组和铁心。3.1.2 不正常运行状态发电机的不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非全相运行等）而引起的发电机负序过电流和过负荷；由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率等。对于发电机变压器组，对容量在100mw以下的发电机，应装设保护区不小于绕组串联匝数90%的定子接地保护对容量在100mw以上的发电机，应

33、装设保护区为100%的定子接地保护，保护带时限动作于信号，必要时也可以动作于切。3.2发电机保护的配置原则针对上述故障类型及不正常运行状态，发电机应装设以下继电保护装置：（1）针对1mw及以上的发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设差动保护。（2）对于直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于表的规定允许值时，应装设选择性的接地保护装置。（3）对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护；200mw及以上的发电机有条件时可装设双重化横差保护。（4）对于发电机外部短路引起的过电流，可

34、采用下列保护方式： 1）负序过电流及单元件低电压启动过电流保护，一般用于50mw及以上的发电机； 2）负荷过电压启动的过电流保护，一般用于1mw以上的发电机； 3）过电流保护，用于1mw及以下的小型发电机； 4）带电流记忆的低压过电流保护，用于自并励发电机。（5）对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50mw及以上的发电机上装设负序过电流保护。（6）对于不对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。（7）对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设延时的过电压保护。（8）对于发电机励磁回路的一点接地故障，对1mw及以下的小型发电机可装设定期检测装置；对1mw

35、以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护。（9）对于发电机励磁消失故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对采用半导体励磁及100mw及以上采用电机励磁的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用保护。（10）对于转子回路的过负荷，在100mw及以上，比且采用半导体励磁系统的发电机，应装设转子过负荷保护。（11）对于汽轮发电机主汽门突然关闭而出现的发电机变电动机运行的异常运行方式，为防止汽轮损坏，对200mw及以上的大容量汽轮发电机装设逆功率保护；对于燃汽轮发电机，应装设逆功率保护。（12）对于300mw及以上的发电机，应装设过励磁保护。（1

36、3）其他保护：如当电力系统震荡影响机组安全运行时，在300mw机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行会造成机械振动，叶片损伤，对汽轮机危害极大，可装设低频保护；当水冷发电机断水时，可装设断水保护等。为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，使定子绕组不再感应出励磁电动势，继续供给短路电流。3.3发电机纵差保护3.3.1工作原理该保护是发电机内部相间短路的主保护，根据启动电流的不同有两种选取原则，与其相对应的接线方式也有一些差别。因为该保护可以无延时的切除保护范围内的各种故障，同时又不反应发电机的过负荷和系统振荡，且灵敏系数一

37、般较高，所以纵差动保护毫无例外的用作容量在1mw以上发电机的主保护。该保护是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成，因此在发电机中性点测和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差保护。两组电流互感器之间为纵差保护的范围。电流互感器二次侧按照循环电流接线法接线，即如果两组电流互感器一次侧极性分别以中性点测和母线侧为正极性，则二次侧同极性相连接。差动互感器与两侧电流互感器的二次绕组并联。发电机故障时，如图00001中的k1点短路，两侧电流互感器的一、二次电流如图所示，差动继电器中的电流为=+.当大于继电器的整定电流时，继电器动作。在正常运行或保护区外故障时，流过继电器

38、的电流为两侧电流之差（=-），（短路点）。在循环电流回路两臂引线阻抗相同、两侧电流互感器特性完全一致和铁芯剩磁理想的情况下，量测电流相等（=），流过继电器的电流为零，此电流称为不平衡电流。但实际上差动继电器中流过不大的电流，此电流称为不平衡电流。差动保护在原理上不反应负荷电流和外部短路电流，只反应发电机两侧电流互感器保护区内的故障电流，因此，纵差保护在时限上不必与其他时限配合，可以瞬时动作于跳闸。3.3.2发电机纵差保护整定纵差保护的整定原则如下：bch-2型继电器构成的差动保护1.动作电流大于发电机额定电流时差动保护的动作电流保护动作电流应躲开外部短路时最大不平衡电流，即 式中 可靠系数，采

39、用1.3； 计算不平衡电流； 考虑非周期分量影响的系数。当采用bch2继电器时=1； 电流互感器同形系数，采用0.5； 在发电及外部三相短路时，流经保护的最大周期性短路电流。对于水轮发电机，由于电抗的数值比汽轮发电机大，其出口处发生三相短路的最大短路电流约为：为避免保护在电流互感器二次回路断线时误动作，保护动作电流应大于发电机的最大负荷电流，即 = 式中 可靠系数，采用1.3 发电机额定电流取述最大的作为保护的动作电流。差动继电器的动作电流 = 式中 接线系数 电流互感器变比2.灵敏系数 式中 发电机出口两相短路时，流经保护最小周期性短路电流。 最小灵敏系数应约为2。综上可见，按躲开不平衡电流

40、条件整定的差动保护，其起动值都远较按躲开电流互感器二次回路断线的条件为小，因此，保护的灵敏性就高。但是这样整定后，在正常运行条件下发生电流互感器二次回路断线时，在负荷电流的作用下，差动保护就可能误动作，就这点来看其可靠性是较差的。因此，是否需要考虑断线在目前还是有争议的问题。发电机纵差动保护的动作逻辑如下：发电机的纵差保护可以无延时的切除保护范围内的各种故障，同时又不反应发电机的过负荷和系统振荡，灵敏系数一般较高。因此，纵差保护毫无例外的用作容量在1mw以上发电机主保护。3.4发电机横差保护（1）发电机裂相横差保护裂相横差保护大容量发电机每相都由两个或两个以上并联分支绕组组成，正常运行时各绕组

41、中电势相等，流过相等的负荷电流；当同相内非等电位点匝间短路时，各绕组中电势不再相等，出现因电势差而在各绕组间产生的环流。利用这个环流可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，构成裂相横差保护的原理。1）一个分支绕组内部发生匝间短路时：图3-1 某一绕组内部匝间短路横差动保护此时两个分支绕组的电势将不等，出现环流，这时在电流差动回路中将会有，若此电流大于启动电流，保护可靠动作。但是当短路匝数较小时，环流也较小，有可能小于启动电流，所以保护有死区。2）同相并联分支绕组间发生匝间短路时：此时，只要这两个分支绕组短路点存在电动势差（比如可简单地理解为当时），分别产生两个环流、，此时差动电流为。图3-2

42、同相不同绕组匝间短路横差动保护（2）单元件横差动保护单元件横差动匝间短路保护能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路。其原理图如图3-3所示。图3-3 单元件横差动保护接线原理实际发电机不同中性点间有不平衡电流：1）定子同相而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电势及支路电流有差异；1）发电机定子气隙磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生的感应电势不同；3）转子偏心，在不同的定子绕组中产生不同电势；存在三次谐波电流。实际很多情况下存在较大的三次谐波不平衡电流。因此，单元件横差动保护需要具有性能良好的三次谐波滤过器。3.5发电机定子绕组单相接地保护如前所述，由于发电机容易发生绕组

43、线棒和定子铁芯之间的绝缘破坏，因此发生单相接地的故障比例很高，约占定子故障的70%-80%。由于大型发电机组定子绕组，对地电容交大，当发电机机端附近发生接地短路时，故障点的电容电流比较大，影响发电机的安全运行；同时由于接地故障存在，会引起接地弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障。因此发电机定子绕组单相接地保护就显得尤为重要。定子单相接地保护类型：利用零序电流构成的发电机定子绕组接地保护利用零序电压构成的发电机定子绕组接地保护利用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护利用零序电压和叠加电源构成的发电机100%绕组单相接地保护这里着重介绍由利用三次谐

44、波电压构成的发电机100%绕组单相接保护。100%定子绕组接地保护：100%定子绕组的接地保护由两部分组成。一部分是由接在发电机出线端的电压互感器的开口三角线圈侧，反应零序电压而动作的保护。它可以保护8590%定子绕组。第二部分是利用比较发电机中性点和出线端的三次谐波电压绝对值大小而构成的保护。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大，而在发电机内部定子接地故障时，出线端的三次谐波电压比中性点的三次谐波电压大。发电机出口的三次谐波电压作为动作量，而中性点的三次谐波电压为制动量。当发电机出口三次谐波电压大于中性点三次谐波电压时，继电器动作发出接地信号或跳闸。3.6 发

45、电机负序电流保护3.6.1 定时限过电流保护（1）单相式低电压启动过电流保护单相式的低电压启动过电流保护由接于相电流上的过电流继电器ka1和接于线电压上的低电压继电器kv组成，以专门反应三相对称短路。与负序过电流保护并联工作的，经过时间继电器kt1的延时后动作于跳闸。（2）负序过电流保护（过负荷信号部分）ka3具有较小的整定值，当负序电流超过发电机的长期允许值时，经时间继电器kt2的延时后，发出发电机的不对称过负荷信号。整定原则：躲开发电机长期允许的负序电流值和最大负荷下负序过滤器的不平衡电流（均应考虑继电器返回系数）。一般情况下其整定值可取为： 式中 负序过电流保护值； 长期允许的负序电流。

46、动作时限应保证外部不对称短路时动作选择性，一般取510s。（3）负序过电流保护（跳闸部分）继电器ka2具有较大的整定值，经时间继电器kt1的延时后动作于发电机跳闸，以作为防止转子过热和后备保护之用。图3-4发电机负序电流及单相式电压启动过电流保护原理接线图动作电流的选择：给出一个计算时间，在这个时间内，值班人员有可能采取措施来消除产生负序电流的运行方式。动作时限一般取为35s。两段式定时限负序过电流保护的动作特性与发电机允许的负序电流曲线不能很好地配合。此外，它也不能反应负序电流变化时发电机转子的热累积过程。3.6.2 反时限负序过电流保护反时限曲线特性如图3-5所示。它由上线定时限、反时限、

47、下限定时限三个部分组成。当发电机负序电流大于上限整定值时，按上限定时限动作。负序电流在上、下限整定值之间时按反时限动作。 式中 发电机的a值； 发电机发热同时的散热效应系数发电机负序电流标幺值。图3-5反时限负序过电流保护动作特性曲线 图3-6发电机反时限负序过电流保护逻辑图 如果负序电流低于下限整定值，但不足以使反时限部分动作，或反时限部分 动作时间太长，则按下限定时限动作。发电机反时限负序过电流保护逻辑图如图3-6所示负序反时限特性能真实地模拟转子的热累积过程，并能模拟散热，即发电机发热后若负序电流消失，热累积并不立即消失，而是慢慢地散热消失，如此时负序电流再次增大，则上一次的热累积将成为

48、该次的初值。3.7发电机失磁保护 发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失，引起失磁的原因有转子绕组故障、励磁机故障、自动灭此开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障及误操作等。各种失磁故障综合看起来，有以下几种形式：励磁绕组直接断路或经励磁电机电枢绕组闭路而引起的失磁，励磁绕组开路引起的失磁，励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁，励磁绕组经整流器闭路（交流电源消失）失磁。当发电机完全失磁时，励磁电流将逐渐衰减为零。而发电机的感应电动势随励磁电流的减小而减小，最终使发电机进入稳定的异步运行。发电机异步运行对发电机本身、电力系统都有很严重的危害，因此发电机应装设失磁保护。对于1

49、00mw以下不允许失磁运行的发电机自动灭此开关断开时，应联跳发电机断路器。对于100mw以下但对电力系统影响重大的发电机和100mw以上的发电机应装设专用的失磁保护。3.8励磁回路一点接地保护发电机励磁回路绝缘破坏会引起转子绕组匝间短路和励磁回路一点接地故障以及两点接地故障。发电机励磁回路一点接地故障很常见，而两点接地故障也时有发生。励磁回路一点接地故障，对发电机并未造成危害，如果发生两点接地故障，将严重威胁发电机安全。第4章 母线保护4.1.母线保护配置原则发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成原件，当母线发生故障时使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间，或转换到另一组无故障

50、的母线上以前被迫停电。此外，在电力系统中枢纽变变电所的母线上故障时，还可能引起系统稳定的破坏，造成严重的后果。母线发生的短路故障可能是各种类型的接地和相间短路故障。母线短路故障类型的比例与输电线路不同。在输电线路的短路故障中，单相接地的故障约占故障总数的80%以上。而在母线故障中，大部分故障是有绝缘子对地放电引起的，母线故障开始阶段大多表现为单相接地故障，而随着电弧的移动，故障往往发展为两相或三相。母线保护总的来说可以分为两大类型：利用供电元件的保护来保护母线装设母线保护专用装置图4-1 利用发电机过的电流保护切除母线故障一般来说，不用采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母线故

51、障切除。例如：如图4.1所示的发电厂采用单母线接线，若接于母线的线路对侧没有电源，此时母线的故障就可以利用发电机的过电流保护的断路器跳闸予以切除。 如图4-2所示的降压变电站，其低压侧母线正常时分开运行，若接于母线上的电路为馈线电路，低压侧目线上的故障就可以由相应变压器的过电流保护使变压器断路器跳闸予以切除；如图4.3所示的双侧电源网络（或环形网络），当变压器b母线上k点短路时，则可以有保护1、4的第ii段动作予以切除，等等。图4-2 利用变压器过电流保护切除低压母线故障图4-3 在双侧电源网络上，利用电源侧的保护切除母线故障当利用供电元件的保护装置切除母线故障时，故障切除时间一般较长。此外，

52、当母线同时运行或母线为分段母线时，上述保护不能保证有选择性的切除母线故障；当超高压枢纽变电站和大型发电厂母线为分段母线时，上述保护不能有选择性的切除母线故障。超高压枢纽变电站和大型发电厂的母线联系着各个地区系统和各台大型发电机组，母线发生短路直接破坏了各部分系统之间或各台机组之间的同步运行，严重影响了电力系统的安全供电，。虽然母线短路几率比输电线短路低得多，但一旦发生，后果特别严重。因此，对那些威胁电力系统稳定运行、使发电厂厂用电及重要负荷的供电电压低于允许值（一般为额定电压的60%）的母线故障，必须有选择性的快速母线保护。因此，在下列情况下应装设专门的母线保护：(1) 在110kv及以上的双

53、母线和分段母线上，为保证有选择性的切除一组（或段）母线上发生的故障，而另一组（或段）无故障母线仍能继续运行，应装设专门的母线保护。(2) 110kv及以上的单母线上，重要发电厂的35kv母线或高压侧为110kv及以上的重要变电所的35kv母线，按照装设全线速动保护的要求必须快速切除母线上故障时，应装设专门的母线保护。1.对220500kv母线，应装设能快速有选择地切除故障的母线保护。 对3/2接线，每组母线宜装设两套相同原理的母线保护。 对220kv母线 ，一般还是一套母差，重要母线可考虑两套。2.对变电所的35110kv电压的母线，在下列情况下应装设专用的母线保护。 a.110kv双母线 b.110kv单母线，重要发电厂或110kv以上重要变电所的35kv母线，需快速切除母线上的故障时。c.35kv电网中，主要变电所的35kv双母线或分段母线需快速切除一段或一组母线上的故障时。3.装设专用的母线保护的条件（1）在双母线同时运行或具有分断断路器的双母线或分断单母线，由于供电可靠性要求较高，要求快速而又有选择性地切除故障母线时，应考虑装设专用母线保护。（2）由于电力系统稳定的要求，当母线上发生故障必需快速切除时，应考虑装设专用母线保护。（3）当母线发生故障，主要电站厂用电母线上的残余电压低于额定电压的（5060）时，为保证厂用电及其它重要用户的供电质量时